На правах рукописи
МЕЖЕВОЙ Игорь Николаевич
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И БУФЕРНЫХ СИСТЕМ НА ЭНТАЛЬПИЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛЬВАТАЦИИ АМИНОКИСЛОТ И ПЕПТИДОВ ПРИ 298,15 К
02.00.04 – физическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново - 2004
Работа выполнена в Институте химии растворов Российской Академии наук
Научный руководитель кандидат химических наук,
старший научный сотрудник
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
доктор химических наук, профессор
Ведущая организация: Ярославский государственный технический
университет
Защита состоится “…” ноября 2004 г. в ___ час. на заседании диссертационного совета Д 002.106.01. в Институте химии растворов РАН .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХР РАН
Автореферат разослан “____”______________” 2004 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета:
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ. Изучение природы взаимодействий в растворах биомолекул и их модельных соединений является актуальной задачей, так как особенности сольватации (гидратации) простых структурных элементов (аминокислот и олигопептидов) во многом определяют сольватацию и биологическую активность более сложных биосистем. Органические растворители (ацетон, спирты и др.), изученные в работе, присутствуют в той или иной мере в живых организмах и могут существенно изменять свойства растворов белковых молекул. Диметилсульфоксид, обладающий высокой проникающей способностью, используется в качестве лечебного средства и криопротектора лекарственных препаратов. Исследование термодинамических свойств растворов биовеществ в водно-органических растворителях позволяет выявить роль различных функциональных групп в межмолекулярных взаимодействиях. Взаимодействия между биомолекулами (сахаридами и аминокислотами или пептидами), сопровождаются небольшими изменениями энергии, но чаще всего они играют определяющую роль в функционировании живых организмов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Провести на специально сконструированном многоампульном калориметре с изотермической оболочкой термохимическое исследование растворов аминокислот и пептидов в воде, в водных растворах спиртов (этанола, н-пропанола и изо-пропанола), апротонных растворителях (ацетонитрила, 1,4-диоксана, ДМСО, ДМФА и ацетона), моно - и дисахаридов (D-глюкозы, D-мальтозы и сахарозы) и буферном растворе. Определить на дифференциальном калориметре титрования энтальпии смешения пептидов с дисахаридами в воде. На основе полученных термохимических характеристик выявить:
-основные закономерности изменения термодинамических величин (DtrH, DintH, hxy) растворения аминокислот и пептидов в смешанных растворителях различной природы.
-особенности межмолекулярных взаимодействий аминокислот и пептидов с органическим компонентом раствора.
-особенности изменения энтальпий растворения глицина в буферном растворе при различных рН с учетом кислотно-основных процессов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Получены новые данные по энтальпиям растворения исследуемых аминокислот и пептидов в воде, водно-органических смесях, растворах моно - и дисахаридов и буферном растворе, энтальпий смешения пептидов с дисахаридами в водных растворах, которые могут служить базовой термодинамической информацией, дающий вклад в понимание взаимодействий растворенное вещество-растворитель в биохимических системах. Предложен метод расчета величин энтальпий сублимации 17 аминокислот, имеющих боковые радикалы различной химической природы, исходя из корреляции “структура-свойство”. Количественно оценены энтальпии гидратации (DhydrH0) в воде. Выявлены закономерности влияния природы и концентрации водно-органического растворителя и структуры растворяемых биомолекул на энтальпийные характеристики переноса аминокислот и пептидов. Предложен подход, позволяющий проводить расчет энтальпий растворения DsolH биологически активных веществ данного класса в сложных системах с различными значениями рН раствора с учетом количественного вклада кислотно-основных процессов, протекающих в них.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Результаты проведенных исследований растворов модельных соединений белков могут быть использованы при интерпретации и прогнозировании термодинамических свойств сложных биологических систем. Полученные термодинамические характеристики процессов растворения, сублимации, сольватации биомолекул и кислотно-основных равновесий открывают возможности для понимания механизмов биохимических реакций и представляют интерес для медицины, фармакологии и косметологии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы опубликовано в 20 печатных работах (7 статей в рецензируемых журналах, 2 депонированные статьи, 11 тезисов докладов). Результаты исследований докладывались и обсуждались на 8 Международной конференции по проблемам сольватации и комплексообразования в растворах (Иваново, 2001), 4 Международной конференции по химической термодинамике (Санкт-Петербург, 2002), Международной научной конференции по кристаллизации в наносистемах (Иваново, 2002), Международной конференции по Физико-химическому анализу жидкофазных систем (Саратов, 2003), Юбилейной научной конференции “Герасимовские чтения” (Москва, 2003), Всероссийском симпозиуме по термохимии и калориметрии 2004 (Нижний-Новгород, 2004), IX Международной конференция по проблемам сольватации и комплексообразования в растворах (Плес, 2004), III Международной конференции по кинетике и механизмам кристаллизации (Иваново, 2004).
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из следующих разделов: введения, главы, посвященной обзору литературы, экспериментальной части, описывающей установки, методику работы и анализ погрешности определения тепловых эффектов, а также четырех глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, итоговые выводы, списка цитируемой литературы.
II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава литературного обзора включает обзор имеющихся в литературе данных о структуре и физико-химических свойствах аминокислот и дипептидов и их водных растворах. Во второй главе рассмотрены некоторые физико-химические свойства спиртов, апротонных растворителей, моно - и дисахаридов и их водных растворов. Проведен анализ литературных данных по термодинамике аминокислот и дипептидов в водно-органических смесях и растворах сахаров. Отмечено незначительное количество работ по термохимии растворения аминокислот в водно-органических смесях, ограничивающихся разбавленной областью органического компонента (до 0,1 м. д.), а также отсутствие данных по калориметрии растворения дипептидов в исследуемых смесях. Рассмотрены кислотно-основные равновесия аминокислот в воде при изменении рН среды.
КАЛОРИМЕТР РАСТВОРЕНИЯ
Тепловые эффекты измеряли на сконструированном четырехампульном калориметре с изотермической оболочкой. Реакционная часть калориметра и все внутренние детали, соприкасающиеся с раствором, выполнены из титанового сплава ВТ-1. Объем реакционного сосуда 110 мл. Датчиком температуры служил термистор КМТ-14. Температура изотермической оболочки поддерживалась с точностью ±0,005 К. Градуировка теплового эффекта проводилась электрическим током. Надежность результатов оценивалось по энтальпиям растворения КСl(к) в воде. Полученное значение 
хорошо согласуется с общепринятыми литературными данными, что говорит об отсутствии заметной систематической ошибки в работе установки.
КАЛОРИМЕТР ТИТРОВАНИЯ
Тепловые эффекты смешения водных растворов пептидов и дисахаридов измерялись на дифференциальном калориметре титрования промышленного производства США ITC MicroCal OMEGA. Объемы ячеек, изготовленных из высоко эффективного теплопроводящего материала (Hasteloy), составили 1,3611мл. Водный раствор дисахарида (сдс~0.2 моль/л), помещенный в дозатор (V=250мкл), непрерывно автоматически вводился в водный раствор пептида (сп~0.02 моль/л), находящийся в образцовой ячейке. Объем единичной дозы составлял 12мкл. В ячейке сравнения находилась вода. Параметры титрования (объем дозы, их число и временной интервал между ними) задавался с помощью встроенной программы, контролирующей данные. Чувствительность калориметра составила 0.8мкДж. Для перехода к молярным концентрациям пептидов и дисахаридов на денсиметре Anton Paar DMA 60/62 были измерены плотности растворов. Обработка экспериментальных данных проводилась автоматически предусмотренным пакетом программ. Тепловые эффекты разведения дисахаридов и пептидов измерялись отдельно.
1. Термохимические свойства водных растворов аминокислот и олигопептидов.
Измерены интегральные энтальпии растворения 
алифатических аминокислот и пептидов в воде.
Таблица 1.
Энтальпии растворения 
(кДж/моль) аминокислот и пептидов в воде при 298,15 К.
вещество |
| Литературные данные |
глицин | 14,25±0,11* | 14,12; 14,20; 14,18; 14,13; 14,08 |
диглицин | 11,56±0,17 | 11,84; 11,67 |
триглицин | 17,62±0,15 | 11,58; 17,69 |
DL-a-аланин | 9,34±0,09 | 9,85; 9,13; 9,21; 9,25; 9,35; 8,65 |
DL-a-аланил-глицин | 1,30±0,05 | |
DL-a-аланил-глицилглицин | 2,72±0,03 | |
L-a-аланил-L-a-аланин | -10,79±0,15 | -11,0 |
DL-a-аланил-DL-a-аланин | -7,29±0,06 | -7,59 |
DL-a-аланил-b-аланин | -4,63±0,04 | |
b-аланил-b-аланин | 5,67±0,06 | |
D-валин | 2,16±0,05 | |
DL-a-аланил-DL-валин | -16,44±0,17 |
*погрешность выражена как стандартное отклонение с 95% вероятностью доверительного интервала
Величину энтальпии растворения при бесконечном разведении рассчитывали как среднюю из результатов семи измерений. Как следует из приведенных в Табл. 1. данных, процесс растворения в воде для одних веществ является эндотермичным, а для других – экзотермичным. Это указывает на то, что энергетические затраты на разрушение кристаллической структуры веществ, в 1-ом случае, не компенсируются энергетическими эффектами экзотермических эффектов гидратации, в отличие от вторых. При увеличении размера растворенного вещества наблюдается тенденция уменьшения эндотермичности процесса растворения и повышения его экзотермичности. Величина L и DL-форм диаланина различаются на 3,5 кДж.
Корректная количественная оценка гидратационных вкладов в аминокислот и пептидов возможна только на основе учета энергий их кристаллических решеток, что и было сделано нами на примере аминокислот. Для расчета энтальпии гидратации 
по экспериментальным данным необходимо знать энтальпию сублимации (
), экспериментальное нахождение которой зачастую затруднено. Предложен метод оценки энтальпий сублимации аминокислот на основе выявления корреляционной зависимости между 
и строением молекул исследуемых веществ. В качестве базовых функций строения соединения были выбраны молекулярный объем и длина межатомных связей. При проведении сравнительного термодинамического анализа разных соединений использованы объемно-удельные параметры, основанные на подходе Райса-Бландамера, получаемые путем деления на объем фазы (VvdW – ван-дер-ваальсовый объем молекулы). В основу предлагаемой корреляционной модели «структура-энтальпия сублимации» может быть положено соотношение (1):
(1)
где li-длина i-ой связи, ni-число связей.
Справедливость уравнения (1) проверена на основе имеющихся экспериментальных данных по для 7 аминокислот. Исследование зависимости 
показало, что она носит линейный характер в соответствии с уравнением (1) (А=2,88, В=0,065, r=0,985, N=7). Данный подход был распространен на другие аминокислоты, для которых отсутствуют экспериментальные значения . В таблице 2 приведены полученные значения для 17 аминокислот. Сравнение рассчитанных величин 7 аминокислот с их экспериментальными значениями позволило оценить предсказательную способность уравнения (1) с погрешностью в 3,2%.
Представляло интерес проследить изменение характера гидратации аминокислот в зависимости от природы бокового радикала. Были определены объемно-удельные энтальпии гидратации аминокислот, представляющие собой отношение к величине парциального мольного объема V20 аминокислоты при бесконечном разбавлении. При увеличении числа атомов углерода в молекуле соединения наблюдаются тенденции повышения значений (
) в рядах аминокислот, имеющих боковые радикалы: I – алифатические, II – ароматические и гетероциклические, III – серу-, азот - и кислород- содержащие.
Таблица 2.
Стандартные термодинамические характеристики аминокислот в водных растворах при 298,15 К.
Название соединения | DsolH0*, кДж/моль | 106 V20*, м3/моль | DsubH, кДж/моль | -DhydrH0, кДж/моль | DhydrH0/V20×10-6, кДж/м3 |
I-алифатические | |||||
глицин | 14,25 | 43,19 | 136,3 | 122,1 | -2,83 |
β-аланин | 9,50 | 58,28 | 148,4 | 138,9 | -2,38 |
DL-аланин | 9,34 | 60,42 | 148,8 | 139,4 | -2,30 |
L-аланин | 7,62 | 59,62 | 144,7 | 137,0 | -2,26 |
L-валин | 5,37 | 90,79 | 158,7 | 153,4 | -1,69 |
L-лейцин | 2,93 | 107,83 | 151,4 | 148,5 | -1,38 |
II-ароматические и гетероциклические | |||||
L-пролин | -3,10 | 82,50 | 149,0 | 152,1 | -1,84 |
L-гистидин | 13,96 | 95,79 | 156,7 | 142,8 | -1,49 |
L-фенилаланин | 7,70 | 121,48 | 153,9 | 146,2 | -1,20 |
L-гистидин | 19,96 | 123,6 | 145,8 | 125,9 | -1,02 |
L-триптофан | 6,74 | 143,91 | 113,6 | 106,9 | -0,74 |
III-серу-, азот - и кислород - содержащие | |||||
L-серин | 11,01 | 62,66 | 150,2 | 139,2 | -2,22 |
L-цистеин | 11,00 | 73,44 | 163,7 | 152,8 | -2,08 |
L-треонин | 9,78 | 76,90 | 161,0 | 151,2 | -1,97 |
L-аспарагин | 31,51 | 78,00 | 166,5 | 134,9 | -1,73 |
L-глутамин | 22,76 | 93,90 | 171,4 | 148,6 | -1,58 |
L-метионин | 11,21 | 105,35 | 169,0 | 157,8 | -1,49 |
*литературные данные
Это отражает, прежде всего, различный вклад гидрофобной гидратации групп в совокупный гидратный эффект при растворении аминокислот в воде. Очевидно, чем ниже величины параметра () исследуемых аминокислот, тем выше степень структурируемости их водных растворов. Например, в ряду алифатических аминокислот, имеющих аполярные боковые цепи, Gly оказывает наибольшее воздействие на окружающую воду.
2. Энтальпийные характеристики растворения DL-a-аланина, DL-a-аланил-глицина, DL-a-аланил-DL-a-аланина в водных растворах спиртов и апротонных растворителей.
Определены энтальпии растворения DL-a-аланина (Ala), DL-a-аланил-глицина (Ala-Gly) и DL-a-аланил-DL-a-аланина (Ala-Ala) в водных растворах этанола, н-пропанола и изо-пропанола (Рис.1). 
для изученных соединений положительны во всей концентрационной области органического компонента и имеют экстремальный характер, что свидетельствует об изменении характера взаимодействия между компонентами раствора.
Рис.1. Зависимость энтальпий переноса 
из воды в водно-спиртовые смеси Ala (а), Ala-Gly (b) и Ala-Ala (c) от Х2 м. д. этанола, н-пропанола, изо-пропанола.
По мере увеличения концентраций спиртов и приближения к максимуму наблюдается менее резкое изменение веществ, что можно отнести к преобладающей роли заряженных концевых групп аминокислот и пептидов и пептидной группы, что вносит отрицательный вклад в . Большая эндотермичность , наблюдаемая для i-PrOH по сравнению с PrOH, по-видимому, связана со стерическими затруднениями при взаимодействии гидратированных молекул аминокислот и пептидов с гидратированными молекулами спиртов и с большими эффектами гидрофобной гидратации двух СН3-групп i-PrOH. Значения в точке максимума смещаются влево в порядке EtOH < PrOH < i-PrOH, что объясняется структурными особенностями молекул сорастворителя.
Определены 
Ala, Ala-Gly и Ala-Ala в водных растворах ацетонитрила (АН), 1,4-диоксана (ДО), диметилсульфоксида (ДМСО), диметилформамида (ДМФА) и ацетона (АЦ).
Рис 2. Зависимость энтальпий переноса аминокислот и пептидов из воды в водно-органические смеси от Х2 ДО (a), ДМСО (b), ДМФА (c) и АЦ (d).
Как видно из графиков (Рис.2), изменения аминокислот и пептидов в смесях воды с АЦ, ДО, ДМФА и ДМСО эндотермичны и в основном носят экстремальный характер. Энергия вновь образуемых связей не компенсирует затраты на разрушение структуры воды и реорганизацию смешанного растворителя при растворении в нем биомолекул. Cогласно литературным данным при растворении аминокислот в водно-органических растворителях наблюдается энтальпийно-энтропийный компенсационный эффект.
Следует отметить разный характер изменения аминокислот и дипептидов в водных растворах АН (Рис. 3).
Рис.3. Зависимость энтальпий переноса аминокислот и пептидов из воды в водно-органические смеси от Х2 АН.
Величины Gly и Ala во всем исследованном диапазоне концентраций АН экзотермичны и становятся более отрицательными с ростом его содержания в смеси. Уменьшение для Gly и Ala при добавлении АН к воде связано с усилением электронодонорных свойств смеси (данные Маркуса), уменьшением структурного вклада в энтальпии растворения аминокислот и уменьшением энтальпии образования полости в структуре смешанного растворителя по сравнению с чистой водой, при этом АН, разрушая структуру воды и образуя с ней слабые связи, способствует взаимодействию с Gly и Ala. Зависимости =f(X2) для изученных дипептидов в системе Н2О-АН эндотермичны и имеют экстремум в разбавленной области, причем степень его выраженности выше для Ala-Ala, чем для Ala-Gly. Отличия в изменении пептидов по сравнению с аминокислотами свидетельствует о возрастающей роли гидрофобной гидратации при росте размеров молекул.
Межчастичные взаимодействия в трехкомпонентных водных системах могут быть охарактеризованы в рамках формализма теории МакМиллана-Майера для разбавленных растворов путем расчета энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий hxy аминокислот и пептидов с молекулами сорастворителя.
DtrHx(w®w+y)=2hxy×my+3hxyy ×my2+ … (2)
где DtrHx(w®w+y) - энтальпия переноса аминокислоты (пептида) (x) из воды в водно-органические растворы (y); mx и my - моляльность веществ x и y в растворе; hxy, hxyy-энтальпийные коэффициенты парных и тройных взаимодействий.
Таблица 3.
Энтальпийные парные коэффициенты взаимодействия hxy (Дж×кг×моль-2) аминокислот и пептидов с органическим компонентом раствора.
hxy | Gly | Ala | Ala-Gly | Ala-Ala |
АН | -44 | -41±8 | 63±11 | 173±36 |
ДО | 122 | 231±20 | 412±106 | 542±43 |
ДМФА | - | 409±21 | 721±145 | 834±97 |
ДМСО | 249 | 292±21 | 662±136 | 876±67 |
Ацетон EtOH PrOH i-PrOH | 474 551 776 915 | 449±53 762±112 923±53 1071±80 | 816±70 1045±51 1322±156 1610±214 | 999±102 1166±74 1628±268 1886±293 |
Коэффициенты hxy для всех исследуемых систем (Таблица 3), кроме Gly и Ala в смеси с АН, положительны. Это показывает, что в области большого содержания воды вещества хорошо гидратируемы и взаимодействия между гидратированными молекулами вещества и сорастворителя слабы. Коэффициенты hxy увеличиваются в ряду Gly < Ala < Ala-Gly < Ala-Ala, что связано с ростом размеров молекул и появлением дополнительных неполярных групп, способствующих повышению гидрофобной гидратации.
3. Энтальпии растворения глицина, DL-a-аланина в водных растворах D-глюкозы, D-мальтозы и сахарозы и энтальпии смешения водных растворов диглицина, триглицина и DL-a-аланил-глицина с D-мальтозой и сахарозой.
На основании определенных нами Gly и Ala в водных растворах D-глюкозы (Glu), D-мальтозы (Mal) и сахарозы (Suc) рассчитаны энтальпийные парные коэффициенты взаимодействия hxy аминокислот с дисахаридами.
Таблица 4.
Энтальпийные коэффициенты парного взаимодействия hxy (Дж×кг×моль-2) глицина и DL-аланина с некоторыми сахаридами в воде при 298,15К.
вещество | hxy | ||
Glu | Mal | Suc | |
Gly | -242±39 | -330±78 | -550±122 |
Ala | 249±62 | 146±24 | -172±24 |
Из таблицы 4 следует, что hxy Gly с сахаридами небольшие по величине и отрицательны, что свидетельствует о преобладании экзотермического вклада специфических взаимодействий Gly с сахаридами. Увеличение экзотермичности взаимодействия Gly с Mal по сравнению с Glu связано с большим числом ОН-групп в молекулах дисахаридов. Взаимодействие Gly с сахарозой характеризуется более отрицательным коэффициентом hxy. Согласно литературным данным, молекулы Mal обладают более развитой гидратной оболочкой по сравнению с молекулами Suc. Больший эндо-вклад от дегидратации молекул Mal в величину hxy делает ее менее отрицательной по сравнению с Suc. Молекулы Ala в отличие от молекул Gly содержат в своем составе неполярные СН3-группы. Эндо-эффекты от дегидратации молекул Ala и сахаридов, а также от взаимодействий, в которых принимают участие неполярные фрагменты этих молекул, приводят к тому, что величины hxy становятся положительными для систем с Mal и Glu и менее отрицательными для системы с сахарозой.
Проведенный анализ показал, что взаимодействие между аминокислотами и сахаридами в водном растворе сопровождается небольшими изменениями энергии. Поэтому были измерены тепловые эффекты смешения 
D-мальтозы и сахарозы с диглицином (Gly-Gly), триглицином (Gly-Gly-Gly) и DL-a-аланил-глицином (Ala-Gly), для того чтобы количественно оценить энтальпийный вклад в энергетику слабых взаимодействий биомолекул с дисахаридами. Тепловые эффекты 
, отражающие процесс взаимодействия гидратированных молекул пептидов с дисахаридами, рассчитывались как:
(3)
где - энтальпии смешения растворов дисахаридов и пептидов для i-ой дозы в расчете на моль титранта, 
- энтальпии разведения.
Таблица 5.
Тепловые эффекты взаимодействия 
(Дж/моль) пептидов с дисахаридами.
Пептид | Mal | Suc |
Gly-Gly Gly-Gly-Gly Ala-Gly | -8±2 20±2 41±3 | 21±2 43±2 72±1 |
В таблице 5 приведены 
дисахаридов с пептидами, полученные линейной экстраполяцией экспериментальных значений к нулевому отношению молярных концентраций дисахарида и пептида. Значения свидетельствуют о слабых взаимодействиях между исследуемыми молекулами, не приводящих к образованию межмолекулярных комплексов определенного стехиометрического состава. Наличие большого числа гидрофильных групп в молекулах дисахаридов и пептидов, а также цвиттерионное состояние молекул последних в растворе способствует образованию межмолекулярных водородных связей и электростатическому притяжению между этими молекулами. Эти взаимодействия дают отрицательный вклад в величину , но сильная гидратация гидрофильных и гидрофобных фрагментов молекул пептидов и дисахаридов приводит к тому, что процесс дегидратации при их взаимодействии сопровождается значительным эндо-эффектом и вносит положительный вклад в . Полученные результаты показывают, что переход от Gly-Gly к Gly-Gly-Gly приводит к увеличению положительных значений с исследуемыми дисахаридами, что является следствием усиления гидратации трипептида по сравнению с дипептидом.
4. Энтальпии растворения глицина в универсальном буферном растворе при различных рН.
Экспериментальное измерение термодинамических характеристик растворения аминокислот в водных растворах при различных рН дает общий эффект, состоящий из эффектов растворения, кислотно-основных равновесий и взаимодействий компонентов раствора (как химических, так и сольватационных). Представляло интерес провести количественную оценку вкладов кислотно-основных взаимодействий в DsolН аминокислот в воде при изменении рН. Для этой цели были измерены DsolН Gly в универсальном буферном растворе в интервале значений рН 4,1 ¸ 9,6. В качестве растворителя использовалась универсальная буферная смесь, состоящая из водных растворов CН3СООН, Н3ВО3 и Н3РО4, нейтрализуемых раствором NaOH. Процессы кислотно-основных взаимодействий, протекающие в универсальном буферном растворе при растворении Gly могут быть представлены следующими уравнениями:
CН3СООН _ СН3СОО - + Н+ (1)
В(ОН)3 + Н2О _ В(ОН)4- + Н+ (2)
3 В(ОН)3 _ В3О3(ОН)4- + Н+ + 2Н2О (3)
4 В(ОН)3 _ В4О5(ОН)42- + 2Н+ + 3Н2О (4)
5 В(ОН)3 _ В5О6(ОН)4- + Н+ + 5Н2О (5)
РО43- + Н+ _ НРО
НРО42- + Н+ _ Н2РО4- (7)
Н2РО4- + Н+ _ Н3РО4 (8)
+NН3СН2СОО- « NН2СН2СОО - + Н+ (9)
Н2О « Н+ + ОН - (10)
Вклады всех этих процессов в экспериментально измеренные тепловые эффекты учитывались введением соответствующих поправок. По уравнению (4) рассчитывали тепловой эффект растворения Gly за вычетом поправок на кислотно-основные равновесия.
(4)
По константам равновесия и исходным концентрациям компонентов буферного раствора по программе RRSU (, , “Применение ЭВМ в химико-аналитических расчетах”, 1993) рассчитаны равновесные составы растворов не содержащие и содержащие Gly для различных значений рН. Программа RRSU предназначена для расчета концентраций равновесных форм в системах с произвольными числами и стехиометрией реакций. Поправку на ионную силу вычисляли по уравнению (5).
(5)
где Dz2-разность квадратов зарядов продуктов реакции и исходных веществ, Аg-предельный наклон для коэффициента активности теории Дебая-Хюккеля. Константы равновесия реакций (1-10) пересчитывали на соответствующие значения ионных сил по уравнению (6).
(6)
где bс-концентрационная константа равновесия, b0-термодинамическая константа равновесия. Исходя из данных программы RRSU, рассчитаны изменения долей (ai) всех компонентов буферного раствора при введении в него Gly по формуле:
a = a¢i - ai, a¢I = [с¢i ] / с0Gly, ai = [сi ] / с0Gly (7)
ai и a¢i – доля i-ого компонента буферного раствора без и с Gly, сi и c¢i – равновесная концентрация i-ого компонента буферного раствора без и в присутствии Gly, c0Gly-концентрация Gly. Из анализа данных ai всех компонентов буферного раствора при различных рН и концентраций Gly следует, что при рН > 7,2 начинается процесс диссоциации Gly и B(OH)3. Введение Gly смещает кислотно-основные равновесия компонентов универсального буферного раствора (изменяется их доля). Рассчитали поправки (
. DdissНi реакций (1-10) также пересчитаны на соответствующие значения ионной силы по уравнению (8).
(8)
где y(I)-функция от ионной силы раствора, DН и DН0-изменение энтальпии при конечном и нулевом значениях I. Расчет показал, что вклад процессов (3-5) пренебрежимо мал, поэтому поправки на DdissНi этих равновесий в расчет не включались.
В интервале рН 4,1-7,2 точки находятся на прямых параллельных оси х (Рис.4а). Рассчитанные поправки на тепловые эффекты процессов в данном интервале рН незначительные. Gly существует в виде цвиттер-иона +NН3СН2СОО - и поведение его близко к поведению в воде, взаимодействий Gly с компонентами буферного раствора в данном интервале рН не происходит. В интервале рН 7,9-9,6 большой вклад в DsolН¢ вносит значительная диссоциация B(OH)3 и цвиттер-иона, поэтому концентрационные зависимости имеют заметный наклон. Как видно из рисунка 4(b) (кривая 2) DsolН0¢ резко уменьшается с увеличением I.
Рис.4. Зависимость рассчитанных DsolН¢ за вычетом кислотно-основных взаимодействий от 
различной концентрации Gly при различных значениях рН (а) и зависимость стандартных экспериментальных DsolН0 (1) и рассчитанных с учетом кислотно-основных взаимодействий DsolН0¢ (2) от I (b).
Подобное отклонение может быть связано с химическим взаимодействием аниона Gly с одним из компонентов буферной смеси, что усиливает концентрационную зависимость DsolН0¢. Так как диссоциация B(OH)3 значительна при высоких значениях рН раствора (> 7,9), по-нашему мнению, основной эффект уменьшения DsolН0¢ Gly с увеличением рН связан с взаимодействием аниона Gly с борат-ионами.
Для проверки этого предположения были измерены DsolН Gly в буферных растворах борной кислоты, буры и аммонийном буфере (в отсутствии Н3ВО3) при рН»9,6. Все расчеты проводили аналогично.
Таблица 6.
Экспериментальные DsolH и расчетные DsolH¢ в растворах борной кислоты, буры и аммонийном буфере при рН 9,6 и mGly=0,02 моль×кг-1.
DsolH, кДж/моль | DsolH¢, кДж/моль | |
Н3ВО3 | 19.41 | 11,62 |
Nа2В4О7×10Н2О | 19.91 | 12,12 |
NН4ОН | 14.67 | 18.99 |
Величины DsolН¢ Gly в растворах Н3ВО3 и Nа2В4О7×10Н2О близки к значениям DsolН¢, полученным в универсальном буферном растворе при рН»8,9; 9,6. В аммонийном буферном растворе (рН»9,6) величина DsolН¢ Gly близка к среднему значению DsolН¢ Gly в универсальном буферном растворе, полученному при более низких значениях рН (до 7,9). По нашему мнению, это подтверждает предположение о взаимодействии Gly с борат-ионами, существующими в растворах с высоким значением рН.
ВЫВОДЫ РАБОТЫ
1. Сконструирован и собран четырехампульный калориметр с изотермической оболочкой.
2. Получены новые экспериментальные данные по стандартным энтальпиям растворения DsolН0 трех алифатических аминокислот и девяти олигопептидов в воде, глицина (Gly), DL-a-аланина (Ala), DL-a-аланил-глицина (Ala-Gly) и DL-a-аланил-DL-a-аланина (Ala-Ala) в водно-смешанных растворителях и Gly в универсальном буферном растворе при рН 4,1-9,6, а также энтальпиям смешения DmixН водных растворов диглицина (Gly-Gly), триглицина (Gly-Gly-Gly), DL-a-аланил-глицина и D-мальтозы (D-Mal), сахарозы (Suc) при 298,15 К.
3. На основе корреляционного метода “структура-свойство” оценены энтальпии сублимации DsubН0 17 аминокислот, имеющих боковые радикалы различной химической природы. Показано, что отношение (DsubН0/Vwdw) находится в линейной зависимости с величиной суммы длин связей в биомолекуле (Snili)(r>0,985).
4. Определены энтальпии гидратации DhydrН0 17 аминокислот. Установлено, что различие величин DhydrН0 разных аминокислот обусловлено изменением вклада гидрофобной гидратации, вызывающей изменения в состоянии окружающей воды.
5. Рассчитаны стандартные значения энтальпий переноса DtrН0 Gly, Ala, Ala-Gly, Ala-Ala из воды в смешанные водно-органические растворители при концентрации сорастворителя от 0 до 0,35 м. д. Установлено, что изменение DtrН0 исследуемых аминокислот и низкомолекулярных пептидов в смесях вода-(этанол (EtOH), н-пропанол (PrOH), изо-пропанол (i-PrOH), ацетон (АЦ), диметилсульфоксид (ДМСО), диметилформамид (ДМФА), 1,4-диоксан (ДО)) эндотермичны и в основном носят экстремальный характер, в отличие от смеси вода-ацетонитрил (АН), в которой наблюдается слабо выраженная экстремальность только для Ala-Gly и Ala-Ala, но отсутствует для Gly и Ala.
6. Установлено, что энтальпийные характеристики растворения, переноса и сольватации Gly, Ala и их олигомеров в смесях вода-органический сорастворитель определяются следующими факторами:
а) структурой растворяемой молекулы биологически активного вещества: показано, что энергетический вклад в межмолекулярные взаимодействия не всегда перекрывает затраты на реорганизацию смешанного растворителя, вызываемую размещением в нем более крупной молекулы пептида. Для исследуемых водно-органических растворов получены более высокие значения DtrН пептидов по сравнению с аминокислотами, увеличивающиеся с ростом числа атомов углерода и боковых метильных групп в ряду: Gly<Ala<Ala-Gly<Ala-Ala. Это указывает на увеличение вклада гидрофобной гидратации, сопровождаемой упрочнением Н-связей между молекулами воды, непосредственно окружающими –СН2- и –СН3- группы.
б) энергетикой взаимодействия компонентов смешанного растворителя: слабые межмолекулярные взаимодействия в смеси вода-АН способствуют сольватации, а сильные – в смеси воды с ДМСО, ДМФА, АЦ, ДО, спиртов ослабляют сольватацию.
в) концентрацией органического компонента: увеличение доли органического растворителя плавно повышает экзотермичность DtrН аминокислот в случае АН и зависимость имеет максимум в случае спиртов, ацетона, 1,4-диоксана, ДМСО, ДМФА.
г) природой органического компонента: возрастание полученных гетерогенных энтальпийных парных коэффициентов (hxy) в ряду АН < ДО < ДМСО < ДМФА < АЦ < EtOH < PrOH < i-PrOH для Gly, Ala, Ala-Gly и в ряду АН < ДО < ДМФА < ДМСО < АЦ < EtOH < PrOH < i-PrOH для Ala-Ala свидетельствует об ослаблении взаимодействий биомолекул с органическим растворителем.
7. Обнаружено, что процессы растворения и сольватации исследуемых аминокислот и пептидов в смешанных водно-органических растворителях имеют три четко выраженные области состава. В области до 0,15 м. д. характерно сильное взаимодействие аминокислоты или пептида с молекулами воды и преобладание процессов дегидратации над прямыми взаимодействиями биомолекула - сорастворитель, что вызывает рост эндотермичности растворения. В интервале 0,15<Х2<0,2 м. д. наблюдается взаимная компенсация между эффектами от прямых взаимодействий биомолекула-сорастворитель и от дегидратации и структурной перестройки растворителя. При более 0,2 м. д. преобладают эффекты от прямых взаимодействий, что выражается в росте экзотермичности растворения аминокислот и пептидов. Выявлено, что для водных растворов с протонными сорастворителями экстремум зависимости DtrН0=f(X2) расположен в области 0,1-0,15, а для исследуемых апротонных сорастворителей – в области 0,15-0,22 м. д.
8. Рассчитаны энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий hxy аминокислот с сахаридами в водной среде. Отрицательные значения, полученные для систем с Gly, указывают на преобладание экзотермического вклада специфических взаимодействий Gly с сахаридами (образование Н-связей и электростатическое взаимодействие). Получены положительные значения hxy для взаимодействия Ala с D-мальтозой и D-глюкозой и менее отрицательные с сахарозой, что обусловлено вкладом эндоэффекта от дегидратации молекул Ala и сахаридов, а также от взаимодействий, в которых принимают участие неполярные группы этих молекул.
9. Предложен подход количественного учета вклада кислотно-основных процессов, протекающих в многокомпонентных жидких системах при различных рН, в тепловые эффекты растворения аминокислот. Показано, что взаимодействия глицина с компонентами буферного раствора в интервале рН от 4,1 до 7,2 отсутствуют. При рН более 7,2 наблюдается уменьшение DsolН0, что связано с изменением сольватации при переходе от цвиттер-иона к аниону, а также химическим взаимодействием аниона с борат-ионами, существующими в растворах с высоким значением рН.
Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих работ.
1. , , Межевой энтальпий гидратации аминокислот и олигопептидов от их молекулярной структуры // ЖФХ. 2002. Т. 76. № 7. С. .
2. , , Межевой растворения глицина в смесях вода-ацетон и вода-1,4-диоксан при 298.15 К // Изв. вузов. Хим. и химич. технол. 2003. Т. 46. вып. 1. С. 90-93.
3. , , Козловский растворения глицина при различных значениях pH буферного раствора // ЖОХ. 2003. Т. 73. вып. 7. С. .
4. , , Баделин изучение взаимодействий между аминокислотами и сахаридами в воде при 298.15 К // Биофизика. 2003. Т. 48. вып. 4. С. 585-588.
5. , , Баделин растворения DL-a-аланина в смесях вода-спирты при 298.15 К // ЖФХ. 2004. Т. 78. № 2. С. 280-283.
6. , Вшелака- , Баделин взаимодействия D-мальтозы и сахарозы с ди - и трипептидами в водных растворах // ЖФХ. 2004. Т. 78. № 6. С. .
7. , , Баделин растворения DL-a-аланина в смесях вода-ацетон и вода-1,4-диоксан при 298,15 К. // Изв. вузов. Хим. и химич. технол. 2004. Т. 47. вып.8. С. 38-41.
8. , , Катровцева корректных значений энтальпий растворения глицина с учетом энтальпий диссоциации компонентов буферного раствора при pH 7,2-9,6 // Деп. в ВИНИТИ 10.04.00, 00.
9. , , Баделин растворения DL-a-аланина, DL-a-аланил-глицина и DL-a-аланил-DL-a-аланина в бинарных смесях вода-органический растворитель в стандартных условиях // Деп. в ВИНИТИ 26.02.04, 2004.
10. , , Катровцева докладов 8-ой Международной конференции “Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах”. Иваново. 2001. С.210.
11. , , Тарасова растворения некоторых аминокислот и пептидов в воде // Там же. Иваново. 2001. С. 210-211.
12. , , Баделин характеристики взаимодействия аминокислот с моно - и дисахаридами в воде // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции по химической термодинамике. Санкт-Петербург. 2002. С.168.
13. , , Межевой закономерности гидратации некоторых аминокислот и олигопептидов // Тезисы докладов Международной научной конференции “Кристаллизация в наносистемах” Иваново. 2002. С.129.
14. , , Баделин теплоемкости кристаллических аминокислот и пептидов с энтальпийными характеристиками их водных растворов // Там же. Иваново. 2002. С. 129.
15. , , Баделин и структурные свойства трехкомпонентных систем олигопептид-вода-ДМСО в стандартных условиях // Тезисы докладов Международной конференции “Физико-химический анализ жидкофазных систем”. Саратов. 2003. С. 74.
16. , , Баделин растворения DL-a-аланина в бинарных смесях вода-спирты в стандартных условиях // Тезисы докладов юбилейной научной конференции “Герасимовские чтения”. Москва. 2003. С.137.
17. , , Смирнов растворения DL-a-аланил-глицина и DL-a-аланил-DL-a-аланина в смешанных растворах вода-спирты при 298,15 К // Тезисы докладов “Всероссийского симпозиума по термохимии и калориметрии 2004”. Нижний-Новгород. 2004. С. 171.
18. , , Баделин растворения DL-a-аланина в бинарных смесях вода-органический растворитель в стандартных условиях // Там же. Нижний-Новгород. 2004. С. 199.
